Написано AZoNano 10 июля 2020 года [19459]

Состояние квантовой спиновой жидкости (QSL) является экзотическим состоянием вещества, в котором спин электронов, который обычно проявляет порядок при низких температурах, остается неупорядоченным. Теперь ученые из Токийского университета науки, Япония, разработали новый материал, в котором можно экспериментально наблюдать двумерное состояние QSL, расширяя наши знания о поведении вращения и приближая нас к «спинтронным» устройствам следующего поколения.

Помимо глубокого понимания мира природы, которое предлагает теория квантовой физики, ученые во всем мире неустанно работают над технологической революцией, используя эти новые знания в инженерных приложениях. Спинтроника является развивающейся областью, которая стремится превзойти пределы традиционной электроники, используя спин электронов, который можно грубо рассматривать как их угловое вращение, в качестве средства передачи информации.

Но разработка устройств, которые могут работать с использованием вращения, чрезвычайно сложна и требует использования новых материалов в экзотических состояниях – даже тех, которые ученые до конца не понимают и еще не наблюдали экспериментально . В недавнем исследовании, опубликованном в Nature Communications ученые из Отдела прикладной физики Токийского университета науки, Япония, описывают вновь синтезированное соединение с формулой KCu ₆ AlBiO ₄ (SO ₄ ) ₅ Cl, который может быть ключевым в понимании неуловимого состояния «квантовой спиновой жидкости (QSL)». Ведущий ученый доктор Масаёси Фудзихала объясняет свою мотивацию: « Наблюдение за состоянием QSL является одной из важнейших целей в физике конденсированного состояния, а также в разработке новых устройств спинтроники. Однако состояние QSL в двумерных (2D) системах не наблюдалось в реальных материалах из-за наличия беспорядка или отклонений от идеальных моделей. »

Что такое состояние квантовой спиновой жидкости? В антиферромагнитных материалах ниже конкретных температур спины электронов естественным образом выстраиваются в крупномасштабные структуры. В материалах в состоянии QSL, однако, спины неупорядочены таким же образом, как и молекулы в жидкой воде, по сравнению с кристаллическим льдом. Это расстройство возникает из-за структурного феномена, называемого фрустрацией в котором нет никакой возможной конфигурации спинов, которая была бы симметричной и энергетически выгодной для всех электронов. KCu ₆ AlBiO ₄ (SO ₄ ) ₅ Cl – это вновь синтезированное соединение, атомы меди которого расположены по определенной двумерной схеме, известной как «квадратная решетка Кагоме (SKL)», схема, которая, как ожидается, создаст состояние QSL из-за фрустрации. Профессор Сецуо Мицуда, соавтор исследования, заявляет: « Отсутствие модельного состава для системы SKL помешало более глубокому пониманию ее состояния вращения. На основании этого мы синтезировали KCu ₆ AlBiO ₄ (SO ₄ ) ₅ Cl первый антиферромагнетик SKL и продемонстрировал отсутствие магнитного упорядочения при экстремально низких температурах – состояние QSL . »

Однако полученные экспериментальные результаты не могли быть воспроизведены путем теоретических расчетов с использованием стандарта « J ₁ – J ₂ – J ₃ SKL Heisenberg »модель. Этот подход учитывает взаимодействие между каждым ионом меди в кристаллической сети и его ближайшими соседями. Соавтор доктор Кацухиро Морита объясняет: « Чтобы попытаться устранить несоответствие, мы рассчитали модель SKL, учитывающую взаимодействия ближайших соседей используя различные наборы параметров. Тем не менее, мы не смогли воспроизвести экспериментальные результаты. Поэтому, чтобы правильно понять эксперимент, нам нужно рассчитать модель с дальнейшими взаимодействиями. »

Это несоответствие между экспериментом и расчетами подчеркивает необходимость уточнения существующих теоретических подходов, так как соавтор проф. Таками Тохьяма заключает: « Хотя антиферромагнетик SKL, который мы синтезировали, является первым кандидатом на исследование магнетизма SKL, нам, возможно, придется Рассмотрим взаимодействия на больших расстояниях для получения квантовой спиновой жидкости в наших моделях. Это представляет собой теоретическую проблему для раскрытия природы состояния QSL. . «Будем надеяться, что физикам удастся решить эту проблему, чтобы приблизить нас еще на один шаг к прекрасному обещанию спинтроники …

Источник: https://www.tus.ac.jp/en/